北京首例高速公路下穿河道施工风险管控研究

孙玉辉，姚添宝，王金明，杨可可

(北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038)

1 工程概况

妫水河隧道工程位于北京市延庆区，归属延崇高速，线路呈南北走向，全长 2 044 m。其中中间段(K6+880～K7+280)下穿妫水河主河道。妫水河隧道是“北京地区首次以高速公路形式下穿河道”的工程，是高速公路、市政、水务相融合的项目。工程体量大、工期紧、沿线环保要求高。

妫水河隧道主体结构分闭合框架和U型槽两部分，其中妫水河南岸U型槽长 234 m，妫水河北岸U型槽长 140 m，闭合框架全长 1 670 m，均采用明挖法施工。基坑开挖线宽 62.34 m～155.79 m，U型槽部分开挖深度 0 m～8 m，闭合框架部分开挖深度 8 m～25 m，局部泵房处开挖深度 29.2 m。全线采用CFG桩复合地基加固，U型槽部分基础下另设抗拔桩。

2 工程水文地质

2.1 工程地质

场区内地层分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪冲积层。人工堆积层厚度 0 m～2.3 m，主要为素填土、碎石等；新近沉积层主要为细砂、粉细砂、粉土等；第四纪冲积层主要为黏土、粉土、粉细砂互层。

2.2 水文地质

妫水河河道宽260 m～360 m，水深 2.5 m～3.7 m，河底淤泥厚度 0.2 m～2.4 m。根据现场勘察报告，场区地面约 35 m深度范围内地下水类型自上而下分别为：上层滞水、潜水、层间水和承压水(透镜状分布)，如图1所示。

图1 工程地质剖面图

上层滞水主要分布在妫河南、北两岸的阶地上。

潜水赋存于埋设约9 m的粉土层及埋设10 m～13 m的砂土层中。主要分布在妫水河河床部位。

层间水赋存于埋深16 m～25 m的粉土及砂土层中，具有一定的承压性。

承压水赋存于埋设24 m～34 m的砂土层中。承压水头高度约 17.32 m～31.09 m，具有明显的承压性。

施工过程采用地面轻型井点降水。

3 支护结构形式

基坑支护形式有一级放坡、二级放坡、二级放坡+支护桩、二级放坡+支护桩+预应力锚索、内外排支护桩+预应力锚索等多种形式。场地开阔、周边环境影响小地段以放坡开挖为主；征地困难或有限制性条件区段采用支护桩(K6+650～K6+880)。

以基坑开挖最深处(K6+820～K6+850)支护形式为例：采用双层基坑形式，外侧基坑支护形式为排桩(D=1 m@1.5 m)+预应力锚索(三道@3.0 m)；内层基坑支护形式为排桩(D=1.2 m@1.5 m)+预应力锚索(四道 @1.5 m)。基坑开口线宽度 94.5 m，开挖深度 28.8 m～29.0 m。内外侧基坑止水帷幕采用旋喷搅拌桩均设置在支护桩桩间，外侧止水帷幕D=90 cm@1.5 m，L=14 m，内侧止水帷幕D= 80 cm@1.5 m，L=24 m。此段为低点2#排水泵房，两侧施作 10 m长拉森Ⅳ型钢板桩。具体如图2所示：

图2 基坑支护剖面图

4 风险识别及管控措施

根据对周边环境、工程水文地质条件、基坑尺寸及基坑自身支护条件等影响因素分析，本工程施工工程中所识别的风险及应对措施如下。

(1)一级基坑。基坑开口线宽度 94.5 m，开挖深度 29 m，属于超宽深大一级等级基坑。自身结构稳定风险极高。根据工程的自身特点，支护采用内外排支护桩+预应力锚索二级基坑支护形式。

(2)多种支护形式。本工程基坑支护采用一级放坡、二级放坡、二级放坡+支护桩、二级放坡+支护桩+预应力锚索、内外排支护桩+预应力锚索等多种形式，存在多个支护结构形式交接处，该处在开挖过程中易发生应力集中、塑性变形区域，从而造成基坑周边土体附加应力增加，在随着基坑被动土压力向主动土压力变换过程易发生基坑支护结构失稳。在监测方案设计中加强支护体系交接处的监测和巡视力度，确保基坑安全。

(3)工程地质。根据勘察报告等资料，基坑开挖范围内存在人工填土层、粉砂、细砂、粉土等地层。人工填土层结构松散，性质不均匀，处于欠固结状态，基坑开挖时容易造成坍塌。粉砂、细砂地层结构性较差，无层理，土质较软，均匀性差，砂土的标准贯入击数较低，工程性质不稳定，基坑开挖过程中均易出现坍塌情况，如遇水更易发生渗水流砂情况。给基坑带来一定的安全隐患，在施工过程加大该地层开挖阶段的监测和巡视力度。

(4)水文地质。根据基坑设计埋深、勘察报告等资料，基坑槽底位于第1、2层地下水(上层滞水和潜水)以下，第3、4、5层地下水(承压水)影响范围内，地下水对基坑边坡开挖、基槽干燥作业、支护结构稳定性、开挖后地基土的工程性质具有直接影响。即在基坑开挖及基础施工时必须采用有效的地下水控制方法阻隔地下水、降低地下水，以满足基础施工及边坡支护施工的安全和质量需要，保证基坑自身及周边环境的安全。

根据目前条件，本基坑治水措施采用“止水帷幕+槽内疏干”。止水帷幕采用旋喷搅拌桩，外层基坑旋喷搅拌桩桩径 0.9 m，间距 1.5 m，桩底高程为外侧基坑底以下 3 m，内层基坑旋喷搅拌桩桩径 0.8 m，间距 1.5 m，桩底高程为穿透第2层承压水以下 1 m～2 m，内外侧基坑止水帷幕均设置在支护桩桩间。槽内疏干采用在沿结构外侧及二级基坑灌注桩外侧布设疏干井抽取帷幕内的滞留潜水，同时，因第1层和第2层承压水具有高水头承压性，对基底渗流稳定性和CFG桩(抗拔桩)施工均有影响，应设置对第1层和第2层承压水的减压井，局部加深区域需设置对第1层、第2层承压水及第3层承压水的减压井。综合考虑各层地下水的水量以及施工的便利性，将上述两种功能的管井合并为疏干+减压井，间距 15 m；在部分区间仅设置减压井，间距 15 m。具体如图3所示：

图3 降水井布设剖面图

(5)施工便道。施工期间在K6+170～K6+280闭合框架东西两侧标高 471 m处设置 15 m宽施工便道，K6+850～K6+880闭合框架西侧设置 8.7 m宽施工便道，K7+530～K7+670闭合框架东西侧设置 15 m宽施工便道，K7+690～K7+710闭合框架西侧设置 9 m宽施工便道，便道紧邻基坑支护桩及 10 m拉森Ⅳ型钢板桩。施工期间，便道上过往施工重型大车，活动荷载较大，增加了竖向荷载及对基坑支护桩的侧向荷载，对基坑支护桩的安全具有很大影响。施工过程加强该部位的监测及巡视力度。

5 施工过程中支护及周边环境变形分析

5.1 监测设计

根据工程自身情况及相关规范要求，本基坑(K6+820～K6+850)监测项目为周边地表沉降、桩体水平位移、锚索轴力、桩顶沉降、钢支撑轴力及水位监测，具体布点平面图如图4所示。

图4 监测点布设平面及剖面图

5.2 安全评价

基坑降水井抽水前开始对基坑自身结构及周边环境进行监测，从监测数据可知：

(1)周边环境变形

随着基坑土方开挖，基坑周边地表出现上浮现象，直至基坑地板施工完成，周边地表数据变形趋于稳定，基坑周边地表监测断面(3个监测点)最终变形量分别为：2.51 mm，5.72 mm，11.34 mm，距离基坑越近隆起变形量越大。具体见图5基坑周边地表沉降槽及图6各监测点变形时程曲线。

图5 基坑周边地表沉降变形断面图

图6 基坑周边地表时程曲线

经分析该基坑周边环境变形主要是因为基坑开口率较大，基坑较深，基坑土方开挖工程中发生坑底土方卸载回弹变形，基坑范围内巨大上浮力带动基坑围护结构及周边土体隆起变形。

(2)围护结构自身变形

随着基坑土方开挖，基坑桩体出现“鼓肚”变形现象，直至地板施工完成，桩体变形数据变形趋于稳定，施工期间最大变形量发生在桩体深 6 m处，变形量最大为 8.01 mm。具体桩体变形如图7所示。

图7 桩体水平位移变形图

目前基坑已回填完毕，周边环境及自身围护结构变形均在设计评估的预测变形值范围内(根据设计蓝图地表控制值为 40 mm，桩体水平位移控制值 35 mm)，施工期间未发生监测预警；施工过程中巡视未见基坑周边地表塌陷等异常情况发生，总体评价基坑施工期间风险安全可控。

6 结 语

(1)妫水河隧道是“北京地区首次以高速公路形式下穿河道”的工程，隧道采用明挖基坑形式施工，基坑开口线宽度 94.5 m，开挖深度 29 m，属于超宽深大一级等级基坑。自身结构稳定风险极高。根据工程水文地质等工程的自身特点，基坑支护采用一级放坡、二级放坡、二级放坡+支护桩、二级放坡+支护桩+预应力锚索、内外排支护桩+预应力锚索等多种方式相结合支护形式。基坑槽底位于第1、2层地下水(上层滞水和潜水)以下，第3、4、5层地下水(承压水)影响范围内。基坑治水措施采用“止水帷幕+槽内疏干”，施工过程中采取疏干井、减压井及应急井相互结合的方式抽取地下水。

(2)工程风险把控重点控制关键节点及部位。本工程施工前针对自身特点进行了风险识别：人工填土、粉砂、细砂等地层开挖期间的渗水流砂，第3、4、5层承压水的治理，多种支护结构交接处的应力集中部位，二级基坑上部的施工便道等。

(3)施工过程中加强对重点风险的监测与巡视，从周边环境及围护结构自身的监测数据来看基坑开挖期间变形较大，底板完成后变形趋于稳定，变形累计值均在控制值范围内，总体风险可控。

(4)本工程基坑支护方式及施工过程中风险管控措施可行有效，为北京地区以后类似工程提供实例类比参考依据。